在神经元突起中,单核糖体偏好性地翻译突触mRNA

2020-02-07 绿谷生物 Science
浏览

 RNA测序和原位杂交揭示了神经元树突和轴突中存在意想不到的大量RNA种类,而且许多研究已经记录了蛋白在这些区室中的局部翻译。在信使RNA(mRNA)的翻译过程中,多个核糖体可以同时占据单个mRNA(一种称为多核糖体的复合物),从而导致编码蛋白的多个拷贝产生。多核糖体通常在电子显微镜图片中被识别为由三个或三个以上的核糖体组成的核糖体簇。多核糖体已在神经元树突中检测到,但是令人吃惊的是,鉴于存在于树突和轴突中的mRNA多样性,多核糖体并不常见。在神经元突起(neuronal processes,分为树突和轴突)中,翻译的特征和机制尚未详细探讨,这部分上是因为树突和轴突相对难以接近。

在一项新的研究中,来自德国马克斯普朗克脑研究所的研究人员研究了一组多样化的神经元蛋白如何可能由在体积较小的突触中存在的有限数量的多核糖体合成。相关研究结果发表在2020年1月31日的Science期刊上,论文标题为“Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes”。

单核糖体翻译神经纤维网中的突触mRNA,图片来自Science, 2020, doi:10.1126/science.aay4991。


为了适应神经元的复杂形态,它们将mRNA和核糖体定位在突触附近,以便在局部产生蛋白。然而,在神经元突起的电子显微镜图片中检测到的多核糖体(蛋白翻译的活性位点)的相对稀缺表明局部蛋白合成的能力相当有限。为了可视化观察体内局部蛋白产生的能力,这些研究人员在啮齿动物海马体神经元突起中分析了积极翻译的mRNA。

为了分析神经元区室,这些研究人员对来自海马体切片CA1区的神经纤维网(neuropil,由神经元突起构成的网状结构)和胞体(somata)层进行了显微切割,从而获得富含树突和或轴突而不富含胞体的样本。针对显微切割区域的多核糖体图谱(polysome profiling)可用来确定轴突和/或树突和胞体mRNA转录本与单核糖体(monosome)和多核糖体之间的关联性。核糖体印记(ribosome footprinting)随后用于评估单核糖体和多核糖体的翻译活性。生物信息学分析用于确定单核糖体偏好的mRNA转录本的特征,以及单核糖体偏好的mRNA转录本编码的蛋白家族。

这些研究人员还比较了胞体和神经纤维网中的mRNA转录本的单核糖体/多核糖体(monosome-to-polysome, M/P)偏好性。为了估计由单核糖体偏好性mRNA转录本和多核糖体偏好性mRNA转录本编码的蛋白的丰度,他们使用基于质谱的蛋白质组学方法测量了神经纤维网中的蛋白水平。

在成年啮齿动物的大脑中,这些研究人员在体内检测到突触神经纤维网(一个富含神经元轴突和树突的区域)中正在进行的大量蛋白合成,并且提供直接证据表明单核糖体偏好地翻译大量的突触前转录本和突触后转录本。单核糖体参与树突和轴突中活性多肽的延伸。大多数转录本在胞体和神经纤维网中均表现出类似的M/P偏好性,这表明核糖体占用通常是转录本的内在特征。几种mRNA转录本表现出对单核糖体或多核糖体的偏好性,这种偏好性的变化取决于转录本所在的神经元区室;这些mRNA编码一些与突触可塑性相关的蛋白。总体而言,神经纤维网表现出对单核糖体翻译的偏好性。单核糖体偏好性转录本在神经纤维网中编码了一系列从低丰度到高丰度的蛋白。

在这项新的研究中,这些研究人员研究了神经元突起中的翻译全貌(translational landscape),并确定了80S单核糖体的局部翻译是突触蛋白的重要来源。定位于神经纤维网中的转录本(即神经纤维网转录本)表现出比胞体转录本更高的单核糖体偏好性,从而潜在地允许利用突触中有限的可用核糖体数量产生一组多样化的蛋白。因此,这一发现弥合了神经元突起中可视化观察到的翻译复合物的相对匮乏与局部翻译的实际测量值之间的差距。考虑到树突棘(dendritic spine,树突分枝上的棘状突起,也是神经元间形成突触的主要部位)和突触扣结(axonal bouton)的空间限制,突触活性还可以调节单核糖体翻译,从而使局部蛋白质组在时间和空间上具有多样性。

参考资料:

Anne Biever et al. Monosomes actively translate synaptic mRNAs in neuronal processes. Science, 2020, doi:10.1126/science.aay4991.